Surface Plasmon Engineering in Graphene Functionalized with Organic Molecules: A Multiscale Theoretical Investigation

石墨烯 材料科学 等离子体子 表面等离子体子 太赫兹辐射 超材料 纳米技术 基质(水族馆) 光电子学 海洋学 地质学
作者
Jierong Cheng,Wei Li Wang,Hossein Mosallaei,Efthimios Kaxiras
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 50-56 被引量:41
标识
DOI:10.1021/nl403005s
摘要

Graphene was recently shown to support deep subwavelength surface plasmons at terahertz frequencies characterized by low energy loss and strong field localization, both highly desirable. The properties of graphene can be locally tuned by applying an external gate voltage or by the adsorption of organic molecules that lead to doping through charge transfer. Local tuning of the electronic features of graphene opens the possibility to realize any desired gradient index profile and thus brings large flexibility to control and manipulate the propagation of surface plasmons. Here, we explore this possibility created by functionalizing graphene with organic molecules. We employ a multiscale theoretical approach that combines first-principles electronic structure calculations and finite-difference time-domain simulations coupled by surface conductivity. We show that by patterning two types of organic molecules on graphene, a plasmonic metasurface can be realized with any gradient effective refractive index profile to manipulate surface plasmon beams as desired. The special properties of such devices based on functionalized graphene are compared to the similar metamaterials based on metallic films on top of a gradient index dielectric substrate. Using this idea, we design and analyze an ultrathin broadband THz plasmonic lens as proof-of-concept, while more sophisticated index profiles can also be realized and various plasmonic applications are readily accessible.
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